Основным источником энергии для всех процессов, происходящих на земном шаре, является солнце. Проходя через атмосферу, лучистая энергия солнца (солнечная радиация) частично поглощается разными газами, частично рассеивается атмосферой, примесями и облаками. Вследствие этого к земной поверхности приходит не только прямая солнечная радиация в виде параллельного пучка лучей 5, идущих от солнца, но и рассеянная радиация D — от всех точек небосвода и окружающих предметов. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, определяется соотношением
В природе прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность, и рассеянная радиация в совокупности составляют суммарную радиацию
Не вся поступающая солнечная радиация Q воспринимается земной поверхностью. Часть ее отражается в мировое пространство и называется отраженной радиацией R K, часть поглощается земной поверхностью — поглощенная радиация Вк
Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиации относятся к коротковолновой части спектра.
Отраженная радиация R K зависит от свойств деятельной поверхности (цвета, увлажненности, шероховатости) и облачности. Значение, характеризующее отражательную способность поверхности, носит название альбедо А к и выражается в процентах:
Например, альбедо поверхности с травяным покровом колеблется от 15 до 25 %, темные поверхности (торфяные болота, чернозем) имеют низкое альбедо (около 1 0 %), альбедо асфальтовых покрытий— от 10 до 30%, мокрого грязного снега 40—45 %, свежевыпавшего снега 85—90 %
Наряду с коротковолновой радиацией к земле поступает длинноволновое излучение атмосферы Еа (встречное излучение). Земная поверхность, в свою очередь, излучает длинноволновую радиацию Ез (собственное излучение). Разность между собственным длинноволновым излучением земной поверхности Ез и излучением атмосферы Еа называется эффективным излучением Еэф или длинноволновым балансом Вд и представляет потерю лучистого тепла земной поверхностью. Встречное излучение обычно меньше собственного, поэтому поток эффективного излучения направлен от земной поверхности.
Разность между всей приходящей к земной поверхности и всей уходящей от нее лучистой энергии определяет значение радиационного баланса земной поверхности В (остаточное излучение)
В зависимости от соотношения приходно-расходных составляющих, знак радиационного баланса бывает положительным (если поверхность земли больше поглощает радиации, чем отдает) и отрицательным (земная поверхность поглощает меньше радиации, чем отдает).
В Новгороде наблюдения над составляющими радиационного баланса не проводились, все характеристики радиационного и светового режима, приведенные ниже, были получены на основе актннометрических наблюдений на ст. Николаевское за период 1955— 1979 гг. Станции Новгород и Николаевское расположены на одной широте на расстоянии 125 км друг от друга, по повторяемости облачности разных градаций между этими станциями была установлена тесная корреляционная связь. Данные о фактической продолжительности солнечного сияния и числе дней без солнца для ст. Новгород, имеющей короткий ряд наблюдений— 1975— 1980 гг., были приведены к периоду 1926— 1980 гг. по ст. Белогорка. Во всех таблицах дается среднее солнечное время. Разница между средним солнечным временем и московским декретным для Новгорода составляет 55 мин.
2.1. Продолжительность солнечного сияния и радиационный баланс подстилающей поверхности
Поступление солнечной радиации к земной поверхности зависит, прежде всего, от астрономических факторов: продолжительности дня и высоты солнца над горизонтом. Продолжительность дня, а вместе с ней и возможная продолжительность солнечного сияния, определяется широтой места и временем года. Для Новгорода продолжнтельность дня и ночи показана на рис. 2
Возможная продолжительность солнечного сияния за год соcвставляет 4511 ч, фактическая— 1695 ч (табл. 1). В табл. 1 приведено также отношение действительно наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной. Возможная продолжительность, фактическая и их отношение в табл. 1 даются для отдельных месяцев и для сезонов в целом. Минимальные значения продолжительности солнечного сияния наблюдаются в декабре (наибольшая вероятность пасмурного неба и короткие дни), максимальные — летом В среднем в году бывает 111 дней без солнца, среднее число их летом равно четырем дням, а зимой возрастает до 57. Самый длинный день (18 ч 2 0 мин) наблюдается 2 2 июня, в день летнего солнцестояния, при высоте солнца над горизонтом 55°. Самый короткий день ( 6 ч 16 мин) — 2 2 декабря, в день зимнего солнцестояния, при этом полуденная высота солнца достигает лишь 8 . Годовой ход высоты солнца в актинометрические сроки представлен в табл. 2 .
Правильное расположение зданий в городе способствует наиболее рациональному облучению помещений солнечными лучами, выбору оптимальных размеров оконных проемов и размещению лоджий. Возможная продолжительность солнечного сияния для стен разной ориентации в Новгороде дана в табл. 3. Для южных стен зданий в табл. 4 дополнительно приведено время начала и конца облучения.
Приход радиации на наклонные и вертикальные поверхности определяется не только факторами, характерными для горизонтальной поверхности (высота солнца, продолжительность дня, облачность, прозрачность атмосферы), но и положением солнца на небосклоне, т. е. его азимутом (табл. 2 ). Методика расчета поступления солнечной радиации на различно ориентированные поверхности дана в работе 3. И. Пивоваровой [22].
Время начала и конца облучения южных стен в Новгороде зимой и осенью совпадает с восходом и заходом солнца. В летний период время начала облучения южных стен совпадает с концом облучения северных стен. Наибольшая продолжительность облучения южных стен 11 ч 44 мин наблюдается в марте и сентябре. Для стен других ориентаций наибольшая продолжительность облучения отмечается в июне. Время облучения северных стен в июне 8 ч 23 мин, а к сентябрю оно сокращается до 1 ч 9 мин, зимой эти стены совсем не облучаются солнцем. Восточные и западные стены получают приблизительно одинаковое количество ) солнечной радиации. Восточная стена облучается с восхода солнца до полудня, западная — с полудня до захода солнца.
За год в районе Новгорода, при наличии безоблачного неба, могло бы поступать 5370 МДж/м суммарной солнечной радиации, из них 4093 М Дж/м2 — прямой солнечной радиации. Значительная облачность, однако, снижает средние годовые значения суммарной солнечной радиации до 3282 МДж/м2, а_прямой солнечной радиации до 1589 МДж/м- (табл. 5). Таким образом, облачность уменьшает количество суммарной радиации в среднем на 40% и прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность н а 60%.
Около 52 % общего прихода радиации за год составляет рассеянная радиация. Ее доля в суммарной радиации увеличивается от лета к. зиме, а в декабре суммарная радиация состоит,в основном из рассеянной радиации что хорошо видно в таблице б. При большой высоте солнца и безоблачном небе в околополуденные часы вклад рассеянной радиации о суммарную уменьшается до 1 0 -15 % .
В годовом ходе максимум суммарной радиации (612 М Дж/м2) приходится на июнь, минимум (19 М Дж/м2) — на декабрь. Почти половина всей годовой суммы (1607 М Дж/м2) поступает летом, зимой приход суммарной радиации равен 146 М Дж/м2 или приблизительно 4 % годовой суммы. Для прямой солнечной радиации, так же как и для суммарной, максимум (335 МДж/м2) наблюдается в зоне, минимальные значения (4—8 МДж/м2) - в ноябре—декабре). Однако в отдельные годы, в зависимости от условий облачности и прозрачности атмосферы, соотношения прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность и рассеянной в общем приходе суммарной радиации могут значительно отличаться от средних значений.
Количество поглощенной земной поверхностью радиации, определяемое как разность между суммарной и отраженной радиацией, существенно зависит от альбедо подстилающей поверхности. За год поверхностью отражается в среднем около 30 % приходящей радиации. Зимой, в период со снежным покровом, отражается 65—75 %, а летом — до 22 % (см. табл. 5). Годовая сумма поглощенной радиации составляет в среднем 2300 М Дж/м2, а ее средние месячные максимальное и минимальное значения приходятся на июнь и декабрь—январь соответственно.
Радиационный баланс (остаточная радиация) подстилающей поверхности в районе Новгорода с марта по ноябрь имеет положительные значения. В это время поверхность земли получает больше тепла, чем отдает. Годовая сумма радиационного баланса равна 1310 М Дж/м2 (см. табл. 5), что составляет 40 % годового прихода суммарной радиации, его максимум (335 МДж/м2) приходится на июнь, минимум (—36 МДж/м2) — на декабрь—январь. С ноября по март баланс отрицателен, в это время земля, охлаждаясь, забирает тепло из воздуха.
В декабре—феврале в суточном ходе радиационный баланс всегда отрицателен ночыо, а при устойчивом снежном покрове может быть отрицательным и днем — это зависит от облачности, температуры воздуха и почвы. В остальные месяцы года днем баланс положителен .и его значение определяется суммарной радиацией. В суточном ходе от отрицательных к положительным значениям баланс переходит после восхода солнца при его высоте около 7°, а от положительных к отрицательным — перед заходом при высоте солнца 9— 10°. Максимальные его значения наблюдаются в мае—июле в околополуденные часы.
Широкое применение в сельском хозяйстве, особенно в отраслях, связанных с растениеводством, получила фотосинтетически активная радиация (ФАР). Это световая часть спектра в диапазоне длин волн 0,38—0,71 мкм. ФАР обеспечивает фотосинтез растений, накопление органического вещества, стимулирует рост и влияние на урожайность в целом
Для практического использования с достаточной степенью точности ФАР можно получать как половину суммарной радиации или рассчитывать по формулам
Для Новгорода средние месячные и декадные суммы ФАР, рассчитанные за период 1966— 1979 гг. по данным актинометрических наблюдений ст. Николаевское, представлены в табл. 7. Наибольшие суммы ФАР (1100 М Дж/м2) наблюдаются в вегетационный период (при средних суточных температурах больше 10 °С). Месячные суммы ФАР в этот период близки к значениям радиационного баланса Использование значений радиационного баланса в сочетании с разными агрометеорологическими и почвенными показателями поможет программировать урожайность сельскохозяйственных культур, что особенно важно для закрытых грунтов.
2.2. Естественная освещенность
Освещенность любой поверхности определяется положением солнца на небосводе, облачностью, прозрачностью атмосферы и альбедо подстилающей поверхности. За единицу освещенности принимают люкс (лк), равный световому потоку на плоскости в 1 м2, удаленной от источника света на 1 м и расположенной нормально к лучам. Естественная суммарная освещенность EQ при наличии солнца складывается из освещенности прямыми солнечными лучами Es и освещенности рассеянным светом Ed- При пасмурном небе суммарная освещенность определяется только освещенностью рассеянным светом
Регулярных наблюдений за освещенностью в Новгороде нет, а информация о световом режиме здесь получена путем пересчета данных актннометрнческих наблюдений ст. Николаевское с помощью световых эквивалентов [3].
Сведения о естественной освещенности имеют широкое применение в строительной технике, гигиене труда, аэрофотосъемках, промышленности и при планировании расходов электроэнергии.
Чаще всего в практической деятельности используется суммарная освещенность. Ее интенсивность в зависимости от времени суток, года или условий погоды меняется в широких пределах. На рис. 3 приведены осредненные значения суммарной и рассеянной освещенности в полдень. Из этого рисунка видно, что суммарная освещенность летом при ясном небе достигает 84 клк, при сплошной облачности не превышает 23—28 клк, а в декабре-январе уменьшается до 4—5 клк. Доля рассеянной освещенности в суммарной при ясном небе составляет всего 15—20 %. При средних условиях облачности в весенне-летний период доля рассеянной освещенности в средних месячных суммах составляет 45—56 % от суммарной освещенности, что хорошо прослеживается в табл. 8 . Нормы естественной освещенности приведены в работе [3]. Фактическую естественную освещенность в любой момент времени при разных условиях облачности можно определить с помощью таблиц В. В. Шаронова [3].
В быту за нижний предел освещенности принимают значение 4—5 клк (сумеречная освещенность), наблюдаемое при высоте солнца около 2° над горизонтом. При уменьшении Eq в дневное время ниже этого предела требуется искусственное освещение.
Промежуток времени между восходом или заходом солнца и моментом, когда глубина его погружения под горизонт достигает 6—7°, считается гражданскими сумерками. Освещенность (при переходе солнца за линию горизонта) падает до 600—620 лк, но еще достаточно светло и работы на открытом воздухе можно выполнять без дополнительного освещения. К концу сумерек освещенность понижается до 1—3 лк и ниже, становится трудно рассматривать мелкие предметы, включается уличное освещение. Для характеристики значений возможной освещенности в период гражданских сумерек в табл. 9 приведены заимствованные из работы [3] осредненные значения освещенности. Время утреннего окончания и вечернего наступления сумеречной освещенности (5 клк) при средних условиях облачности дано в работе Н. П. Русина [27].
Загрязненность воздуха в больших городах, в том числе и в Новгороде, промышленными выбросами и выхлопными газами автомобилей, большая этажность застройки и различная ориентация зданий приводят к неравномерному распределению солнечной радиации и естественной освещенности внутри городских построек. Особенно заметно это сказывается в осенне-зимний период, когда освещенность в городе (по сравнению с освещенностью в сельской местности) может снижаться на 20—30 %.